表面工程 第六章 表面改性技术

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1、6.1激光束表面处理技术最引人注目的技术之一成功地走向工业化生产应用传统的表面处理技术相竞争提高制品的性能和寿命获得极大的社会效益和经济效益6.1激光束表面处理技术相位一致方向性好波长单一优越的聚光性可以获得很高的能量密度高能束表面改性技术中的一种主要手段6.1激光束表面处理技术激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。激光照射到材料表面表层材料受热升温激光作用后冷却激光被吸收变为热能固态相变/熔化/蒸发加热速度快：105-109℃/S自冷速度高：＞104℃/S输入功率小，工件变形小可局部加热精确控制：线加工自动化但反射率高、转换率低

2、、设备昂贵、不能大面积6.1激光束表面处理技术激光与材料：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的带间跃迁实现。波长越短，吸收率高越粗糙，越易吸收温度升高、吸收越多：熔点40-50%，沸点90%杂质影响吸收黑化处理：碳素/磷化/油漆6.1激光束表面处理技术激光相变激光电镀：阴极加热激光物理气相沉积激光化学气相沉积6.1激光束表面处理技术激光熔融激光表面冲击1.激光相变硬化：在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺。加热和冷却速度高：105～109℃/S高硬度：比常规淬火提高15%～20%变形小：

3、加热层薄疲劳强度高6.1.2激光表面处理工艺由于激光加热速率极快，相变在很大的过热度下进行，形核率很大。因加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小。冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。6.1.2激光表面处理工艺低碳钢可分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体。中碳钢可分为四层：外层是白亮的隐针马氏体，硬度HV达800，比一般淬火硬度高出100以上；第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素体；第四层是隐针马氏体和完整的

4、铁素体网。6.1.2激光表面处理工艺高碳钢也可分为两层：外层是隐针马氏体；内层是隐针马氏体加未溶碳化物。铸铁大致可分为三层：表层是熔化－凝固所得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减小；第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏体。6.1.2激光表面处理工艺美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。----直升飞机辅助动力装置的行星齿轮----飞机主传动装置的传动齿轮用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。----采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比氮化处理

5、快14倍，且所得到的硬化层比经过10～20h氮化处理的硬化层还厚，质量优良，几乎无变形。6.1.2激光表面处理工艺应用实例内燃机活塞环激光相变硬化活塞环是内燃机易损基础件之一。为提高活塞环耐磨性延长其使用寿命，对由42CrMo钢制备的活塞环沟内侧进行了激光相变硬化处理。工艺：激光输出功率1.65kw，扫描速度22mm/s，光斑直径3mm。6.1.2激光表面处理工艺应用实例内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化效果：激光硬化区主要是由细长板条马氏体和其间不连续分布的奥氏体所组成；除位错亚结构外，在局部区域还出现了平行排列的微细孪晶组织；硬化区最大硬度为713HV0

6、.1；硬化层深为0.5mm；激光硬化表面光洁度基本保持不变，变形量满足形位公差要求。6.1.2激光表面处理工艺应用实例螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化螺杆压缩机转子是制冷机的关键部件，现多采用球墨铸铁制备而成，其主要失效形式是轴颈发生严重磨损。为此，采用激光相变硬化技术对轴颈进行强化处理。6.1.2激光表面处理工艺螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化工艺：激光输出功率1.1kw，扫描速度17mm/s，光斑直径4mm。效果：激光硬化区主要是由针状马氏体、奥氏体及团絮状组织所组成；硬化区平均硬度达HRC60以上；硬化区层深为1mm；使用寿命提高3倍。6.1.2激光表

7、面处理工艺编号零件名称材料优点或效果1锭杆GCr15硬化区深0.94mm，峰值硬度980HV0.1,相对耐磨性提高10倍2成形刀高速钢刀具耐用度提高2.5～3.5倍，切削速度提高7～8倍3气缸套铸铁比硼缸套寿命高25％，与活塞环配制寿命提高30％4精密仪器V型导轨45钢较原来渗碳工艺减少工序，变形极小，成品率高6.1.2激光表面处理工艺2.激光表面熔凝处理：利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结构的一种表面改性技术。细化铸

8、造晶粒过饱和固溶体减少偏析非晶体改变表层结构6.1.2激光表面处理工艺激光熔化淬